CN101969757A - 反渗透灌溉法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物浇灌装置(10)。该装置(10)具有优先透水膜(12)，该透水膜(12)布置成使供给水(22)与植物的根系(24)分开。所述膜布置成允许水(22)透过以浇灌根部(24)。

Description

反渗透灌溉法

技术领域

本发明整体涉及植物灌溉法，尤其但不排他地涉及利用经过反渗透处理的水灌溉植物的方法。

背景技术

在许多农业区中，大量现有地下水钻井接至含有微咸水的含水层。微咸水是指溶解盐的浓度通常超过2000mg/L的水的术语。盐浓度可以用电导率(EC)来表示。EC是在灌溉操作中测量的用来确定向植物和土壤施用水是否安全的参数。通常，EC超过3000微西门子每厘米的地下水钻井用于持续灌溉是不安全的。

使用微咸水进行灌溉存在三种常规方法。首先，可以直接使用微咸水。这显然会存在植物对盐的敏感度的问题，从而导致产率降低并需要过滤土壤剖面以控制盐聚积，这种盐聚积会造成排水问题。最终，由于对土壤的破坏、产率降低和排水差而使得这种解决方案不具有吸引力。

其次，已经尝试用淡水灌溉结合或代替微咸水灌溉。这要求精确控制水混合形态，不能消除产率降低的所有问题并且还需要进行过滤以从根区除盐。

第三，已经提出通过对半透膜后方的微咸水施压而迫使水通过半透膜来进行脱盐，作为准备适量水进行持续灌溉的方法。将脱盐水存储在储水罐中然后再利用标准灌溉设施进行输送。通常，这会由于如下多个工程学原因导致水价格高昂：

·反渗透系统需要包括专用供给泵、清洁系统和电能源在内的附加设施，电能源或者来自发电机或者连接至分布式电源。

·反渗透供给泵在高压下操作。

·膜组件中的操作条件使系统易于发生盐沉淀从而导致积垢和堵塞。

·资金成本和运行成本高。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种植物浇灌装置，包括：

优先透水膜，其布置成使供给水与植物的根系分开，所述膜布置成允许水透过以浇灌植物的根部。

在一些实施例中，所述膜布置成响应土壤和/根部水势而允许水通过。

在一些实施例中，所述供给水含有溶解的盐。所述供给水可以是微咸水。

在一些实施例中，所述膜对水和盐具有选择性输送特性。所述膜可以是反渗透膜。所述膜可以是纤维素基膜。所述膜可以是醋酸纤维素膜。可选地，所述膜可以由合成单体和聚合物来制备。所述膜可以是致密聚合物膜。所述膜可以是聚酰胺膜。所述膜可以被化学改性以获得最佳的水和盐输送特性。可选地，所述膜可以是超滤和/或纳滤膜。

在一些实施例中，所述膜设置成是可降解的和/或可溶解的。所述膜可以设置成在一次种植周期之后被降解。可以通过在种植周期结束时添加化学品而在原位完成降解过程。可选地，可以通过在灌溉周期结束时添加化学品而在原位完成降解过程。

在一些实施例中，所述膜构造为导管。所述导管可以布置成沿着导管输送水。所述膜可以包括结合在一起从而形成导管的相对边缘。所述边缘可以借助于热退火处理来熔融。可以利用粘接剂将相对边缘结合在一起。

在一些实施例中，所述装置包括透水导管，并且所述膜与所述导管相关联。所述膜可以衬在所述导管中。所述导管可以构造成促进膜附近的水中产生湍流。所述导管可以包括一个或多个特征，所述特征将所述膜成形为用于促进湍流产生。所述特征可以包括褶皱。所述特征可以包括隆起部。所述特征可以包括凹陷部。所述特征可以位于所述膜附近。

在一些实施例中，所述导管可以被掩埋地设置以向一年生作物提供灌溉水。可选地，所述导管可以设置为用于持久种植应用。

在一些实施例中，所述装置可以包括滴灌管道。所述滴灌管道可以构造为滴灌带子或多孔聚合物管线。

在一些实施例中，所述装置构造成促进膜附近的水中产生湍流。所述膜可以构造成促进湍流产生。所述膜可以包括构造成促进湍流产生的表面。所述表面可以包括用于促进湍流产生的特征。所述表面可以包括一个或多个褶皱。可选地，所述膜设置在如下结构周围，所述结构构造成促进膜附近的水中产生湍流。所述结构可以包括框架。所述框架可以包括除了构成所述膜的材料之外的材料。所述材料可以包括聚合物或任意其它合适材料。

应该理解到褶皱可以以许多不同的方式构成。所述褶皱可以是平行的。所述褶皱可以布置成螺旋图案。所述褶皱可以是彼此交叉的。所述褶皱可以布置成交叉影线图案。所述褶皱可以是彼此垂直地交叉的。所述褶皱可以与导管的标称中心轴线平行地延伸。可选地，所述褶皱可以与所述轴线垂直地延伸。可选地，所述表面包括隆起部和/或凹陷部。

在一些实施例中，在所述膜与所述导管之间存在一个或多个中间层。

在一些实施例中，所述膜具有两个相对的表面并且一个表面布置成可与供给水接触。另一表面可以布置成与水毛细介质或水势低的介质接触。所述毛细介质可以包括导管。

在一些实施例中，所述毛细介质包括对所述植物的根部或根系提供支撑的毛细介质部分。所述水毛细介质可以包括土壤或土壤类似物。所述水毛细介质可以是惰性的。所述水毛细介质可以包括绿色废料。所述水毛细介质可以包括粗砂。所述水毛细介质可以包括细砂。所述水毛细介质可以包括堆肥硬木锯屑(composted hardwoodsawdust)。

在一些实施例中，微咸供给水的压强可以在环境压强至几个大气压的压强范围内。

在一些实施例中，所述装置包括水保持材料。所述水保持材料可以是多孔的、类海绵或类土壤的。

在一些实施例中，所述膜可以被肥料化学品透过。所述水可以是含有肥料的水。所述化学品可以包括硝酸盐。所述化学品可以包括磷酸盐。所述膜可以设计为以不同的速率输送硝酸盐和磷酸盐。

根据本发明的第二方面，提供一种滴灌管道，包括：构造为导管的优先透水膜。

根据本发明的第三方面，提供一种滴灌管道，包括：

透水导管；以及

与所述导管相关联的优先透水膜。

在一些实施例中，所述膜位于所述导管内。所述膜可以衬在所述导管的内表面上。可选地，所述膜可以衬在所述导管的外表面上。

根据本发明的第四方面，提供一种灌溉系统，包括：

根据本发明第二方面或第三方面所述的滴灌管道，其与土壤或土壤类似物接触。

所述系统还可以包括：所述导管中的微咸水的供应源，所述水的压强在环境压强至几个大气压的范围内。

根据本发明的第五方面，提供一种灌溉植物的方法，包括如下步骤：

提供微咸水源；

提供根据本发明第二方面或第三方面所述的滴灌管道；

将所述滴灌管道的至少一部分设置在对所述植物提供支撑的土壤或土壤类似物上方或内部；以及

使所述微咸水从所述微咸水源流入所述滴灌管道中。

所述导管中的微咸水的压强在环境压强至几个大气压的范围内。

根据本发明的第六方面，提供一种制造滴灌管道的方法，包括如下步骤：

提供透水导管；以及

在所述导管的内侧表面附近形成优先透水膜。

根据本发明的第七方面，提供一种浇灌植物的方法，包括如下步骤：

利用植物根部和/或对所述植物根部提供支撑的土壤或土壤类似物的水势将供给水抽吸通过优先透水膜。

附图说明

为了更好地理解本发明的本质，下面将参考附图仅仅以实例的方式描述实施例，其中：

图1示出掩埋到作物下方的土壤中的植物浇灌装置实施例的剖视图；

图2示出滴灌管道的实施例的剖视图，该滴灌管道构造为促进在流过滴灌管道的流体中产生湍流，其中，导管和膜是相同的；

图3示出构造为促进湍流产生的滴灌管道的另一实施例的剖视图，其中，膜衬在导管中；

图4示出滴灌管道的另一实施例中的用于促进湍流产生的平行褶皱图案；

图5示出滴灌管道的另一实施例中的用于促进湍流产生的交叉影线褶皱图案；

图6示出周围设置有膜的结构的一个实施例；

图7示出植物浇灌装置的另一实施例的平面图；以及

图8示出包括膜的图2实施例的内壁的侧视图。

具体实施方式

在图1中示出植物浇灌装置的一个实施例，并且该植物浇灌装置整体用附图标记10来表示。在该实施例中，该植物浇灌装置具有铺衬在透水导管14中的优先透水膜(preferentially water permeable)(以竖线表示)。然而，在另一实施例中，导管和膜是相同的。在这些实施例中，导管14是滴灌管道。如图1所示的导管能够从膜12输送出水20。导管14是空气吹制的聚乙烯管。导管14可以在一端15封闭或者可选地在两端与水源22连通。灌溉管道14至少部分地掩埋到种植有例如植物18等的耕地的土壤16中。导管14载运含有诸如氯化钠等溶解盐的微咸水20。导管14连接至由微咸水的天然水源补充的水源22并由水源22重力供水。在该实施例中水没有被专门施压并且不需要压力大于将水20输送到导管14中所需的压力。通常，如同在本实施例中一样，水压在约环境压强至高达几个大气压的范围内。然而，在一些可选实施例中，植物浇灌装置10可以包括用于将水20输送到导管14中的低压水泵。膜12使供应于导管中的微咸水20与植物18的根系24分隔开。

在该实施例中，地下滴灌管道14将微咸水至少部分地脱矿质和/或脱盐以向植物18提供较淡水(fresher water)。应该理解到，随着可以应用于植物浇灌装置的膜技术变得更好，滴灌管道能够将盐水极大地脱盐。脱盐是利用水20经过膜12的反渗透作用而实现的。膜12对水20和溶解于水中的盐具有选择性输送特性。反渗透处理不是如海水脱盐设备那样主要通过对水20施压而执行，例如在悉尼Kurnell建造的在40巴至70巴水压、或大气压的压强下操作的海水脱盐设备。幸运地，将微咸水脱盐需要较小压强，2至17大气压。在本发明中促使反渗透发生的水势梯度由土壤16和植物根部24来提供，土壤16和植物根部24的水势都显著小于微咸水20本身的水势。然而，应该理解到，在一些实施例中，一定程度的施压是有益的。

从另一方面来看，扩散到膜12的外侧表面处的较淡水在作为良好毛细介质(wicking medium)的土壤16的毛细作用下被吸走，然后水20受渗透作用驱使进入根部24中。根部的水势通常比土壤的水势低。这进一步促进水20的分子穿过膜12的净输送。水势不促进盐穿过膜12的输送，因此盐基本上被限制在供给水20中。

在该实施例的正常操作中，植物18的蒸腾水损失使低水势16出现在根部表面24处。这起作用而将水从土壤16中吸至根部24处。当根部附近的土壤16被抽干时，该土壤也呈现出低水势从而从更远处吸水。该水势的典型值在-0.1巴(田间持水量)至-15巴(永久萎蔫点)的范围内。约-3巴至-5巴的根部水势足以维持足够的水通量(water flux)穿过膜12。这完全处于植物的正常状态内。

因为植物18产生压强梯度从而将水吸出灌溉管道14，因此仅仅在植物根部24活跃的部位吸出较淡水20。这意味着管道14的剩余部分因为水势梯度向内而不将水释放到土壤16中。因此，土壤16中来自较淡水的盐聚积将是最小的，并且可以借助于由偶然的雨水导致的轻微溶质移动来容易地控制盐聚积。

膜12是反渗透膜并且是致密合成聚合物膜，该聚合物是聚酰胺。通常，10μm-40μm厚的标准膜(例如由Dow Chemicals制造的膜)应该是合适的。根据水的含盐量和例如蒸腾水损失速率等其它参数，如下膜是合适的：即，在1-10大气压的压强下水通量在0.1-20L/m²/hr的范围内且除盐率(salt removal)为50％-100％的膜。膜12是利用将14界面缩聚来沉积的。在其它实施例中，膜可以是醋酸纤维素膜、超滤和/或纳滤膜。醋酸纤维素在许多情况下为滴灌提供可接受的除盐量。此外，因为醋酸纤维素在pH 5.5之上被水解，所以可以用碱性溶液冲洗管道而在原位将管子溶解。因为纤维素容易生物降解，所以与污染耕地的现有持久性聚乙烯管道不同，这种类型的底土滴灌管子将提供更加可持续的方法。对于膜和导管相同的实施例而言，该优点是可以存在的。

尤其是在导管和膜相同的实施例中，滴灌带子是管道采用的合适形式，这是因为滴灌带子可以从牵引机后方的线管离开而进入准备好的沟槽中。

图2示出整体由附图标记130表示的滴灌管道的一个实施例的剖视图，其中，导管和膜是相同部件并由附图标记132表示。滴灌管道130可以由例如纤维素或其它任何合适的膜材料形成。也就是说，膜构造为导管。导管具有标称中心轴线135。滴灌管道130可以通过例如如下步骤来形成：首先将膜浇注成片材，将片材的相对边缘接合在一起然后再将边缘固定在一起以形成导管。边缘的固定可以通过例如加热和/或退火或者借助于使用粘接剂来实现。膜132构造为促进湍流出现在滴灌管道130内的膜132附近的流体流中。在该实例中，表面133包括如下特征，该特征采用促进湍流产生的例如褶皱134的形式。褶皱134可以具有各种构造，例如图4中的平行且弯曲的褶皱136或者例如图5中的形成交叉影线图案的交叉褶皱138、140。

图3示出整体由附图标记142表示的滴灌管道的另一实施例的剖视图，该滴灌管道具有铺衬有膜146的导管144。导管包括如下特征，该特征采用褶皱148的形式使得膜146成形为促进湍流产生。在该实例中，膜成形为具有褶皱。

当然，应该理解到，可以借助能产生湍流的任意特征例如隆起部或凹陷部等来代替褶皱。

在一些可选实施例中，膜形成在如下结构周围，该结构被构造为促进在膜附近的流体流中产生湍流。这种结构的一个实例在图6中示出并且整体由附图标记150来表示。在该实施例的结构中，结构采用框架的形式。该框架可以由除了膜的材料之外的材料形成，例如一些其它聚合物或其它合适材料。

在如图4和图5所示的实施例中，例如，灌溉管道可以在一端不封闭，通过该管道抽吸水，并可以使水返回至供应源22。可以例如以在0.05米每秒至0.5米每秒范围内的速率抽吸水通过管道。湍流有助于防止膜附近聚积较高的盐浓度，高的盐浓度会减小盐穿过膜进入土壤基质的净通过率(net passage)。这还可以提高水扩散穿过膜的速率。

在如图1所示的实施例的变型中，膜l 2优选地使溶解在供给水20中的肥料化学品透过。该化学品可以包括硝酸盐和/或磷酸盐，并且膜12可以被选择为使硝酸盐比磷酸盐更易透过以向植物18提供最佳的盐输送比。

例如图1所示的滴灌管道的一个实施例可以通过提供透水管然后在导管14的内侧表面附近形成优先透水膜12来制造。膜12可以利用如下技术来沉积：例如界面缩聚法、界面聚合法(用单体浸透表面然后进行聚合)以及使聚合物从液相转化为固相的相转化法。微孔膜可以利用基于相转化浇注(phase inversion casting)处理的各种专有技术由有机聚合物浇注或旋制而成。在相转化处理中，使良好的溶剂化聚合物沉淀或“凝胶化”为固体膜。可以由与非溶剂的反应或由温度引起聚合物从溶剂化状态(液态)至固态的相变。例如，晶态醋酸纤维素被溶解在丙酮和吡啶的混合物中，然后在有机溶剂与水溶液之间的界面处沉积为微孔膜。对于聚丙烯，观察到类似的相变，其在超过150℃的温度下以溶剂化的形式存在于有机溶剂中，并且在150℃的温度下转变为晶体形式。

图7和图8示出植物浇灌装置100的另一实施例的平面图和内部正视图。该装置具有布置有土壤或土壤类似物的例如102和104等十个罐部分。然后，将植物(例如Apollo番茄植物(Apollo tomatoplant))种植到对植物的根系提供支撑的土壤中。每个罐部分包括侧壁106，侧壁106包括膜部分120，膜部分120具有两个相对的表面122和124。一个表面122设置成可与两个沟道128中的一个沟道的微咸供给水接触。另一表面124布置成可与毛细介质接触。将P&S聚丙烯片材安装在装置的土壤侧以降低根结构穿透膜120的风险。土壤或土壤类似物与罐部分102中的聚丙烯片材接触。同样地，膜120借助于受植物本身促使的反渗透作用将微咸水处理为输送到罐部分102中的较淡水。微咸水的供应源128可以包括如同类海绵或类土壤材料一样的水保持材料从而尤其用于防止水溢出。

更具体地说，在该实施例中，该装置100由8mm有机玻璃构成。在有机玻璃中切割出尺寸为60mm×60mm的窗口。窗口均具有围绕孔研磨出的O形圈槽以在将膜120布置在合适位置时提供不透水密封性。每个窗口具有有机玻璃框架以固定膜，有机玻璃由制造出的4.5mm有机玻璃制成。

实例

在由申请人执行的一个实验中，Apollo番茄植物被种植在罐部分102中。在整个实验期间没有使用其它养料或杀虫剂。

用二十(20)升3000ppm盐溶液(2.5g/L氯化钠、0.2g/L碳酸钙和0.5075g/L硫酸镁)填充种植箱(plant box)的各个浇灌沟道128。利用可饮用自来水作为基准比较来重复该实验。在每天结束时灌溉溶液和水沟道128返回到该水平。

在装置100中试用混合的纤维素超滤膜(孔径大小为0.22μm的Millipore Hydrophilic #GSWP 090 25GS过滤器类型)和反渗透膜(FILMTEC BW30)两者。在所有情况下，番茄植物生长良好，这是由叶数和果实产量来限定的。

每个罐部分102中的土壤类似物包括50％的回收绿色废料、20％的土壤、10％的粗砂、10％的细砂(botany sand)和10％的堆肥硬木锯屑。土壤类似物可以是例如溶液培养介质(hydroponic medium)或一些其它惰性介质等任意合适类似物。土壤类似物可以是泡沫或其它多孔材料。

在描述了实施例之后，应该理解到一些实施例具有以下几个优点：

·可以将在许多场合供应情况良好的微咸水用作种植植物的较淡水源。

·可以对滴灌管道进行重力供水从而减少对电能和例如泵等机器的需要。

·不需要对微咸水进行预处理来利用灌溉管道灌溉植物。

·反渗透系统不需要对微咸水施压至海水脱盐设备所需的程度。

·反渗透处理几乎完全受植物和土壤的驱使。

·滴灌管道是非常适于对农场、果园等种植的多排作物或植物进行灌溉的线性几何构造。

·仅在植物需要时供应水从而防止过度灌溉，过度灌溉会破坏土壤或使盐沉积。

·可以输送肥料。

·管道可以在不再需要时降解，而不是变为污染源或者需要移除，移除过程可能是费时和/或昂贵的。

·可以根据要求使用多种膜类型以满足情况。

·利用湍流来改善性能。

本发明不限于从微咸钻井水供应较淡水。例如，本发明可以用于移除供给水中的污染物或其它溶解物质。供给水可以来自工业设备，并且本发明可以用于能使用非淡水水源的任意场地。

应该理解到，可以在不脱离广义限定的本发明的精神或范围内的情况下对具体实施例所示出的本发明进行各种修改和/或变型。例如，可以对微咸水施压以增强反渗透作用。膜可以遮蔽微咸水池或槽，膜上布置有土壤。多个管道可以布置或组合以增加淡水输送量。管道可以盘绕在平面内。管道可以盘绕成例如螺旋状布置方式以便布置在植物生长容器中。因此，应认为这些实施例的所有方面是示例性的而不是限制性的。

Claims (19)

1.一种植物浇灌装置，包括：

优先透水膜，其布置成使供给水与植物的根系分开，所述膜布置成允许水透过以浇灌植物的根部。

2.根据权利要求1所述的植物浇灌装置，其中，

所述膜布置成响应土壤和/根部水势而允许水通过。

3.根据权利要求1所述的植物浇灌装置，其中，

所述供给水含有溶解的盐。

4.根据权利要求1所述的植物浇灌装置，其中，

所述膜对水和盐具有选择性输送特性。

5.根据权利要求1所述的植物浇灌装置，其中，

所述膜设置成是可降解的或可溶解的。

6.根据权利要求1所述的植物浇灌装置，其中，

所述膜与所述导管是相关联的。

7.根据权利要求6所述的植物浇灌装置，其中，

所述膜铺衬所述导管。

8.根据权利要求6所述的植物浇灌装置，其中，

所述导管是滴灌管道。

9.根据权利要求1所述的植物浇灌装置，其中，

所述膜具有两个相对的表面并且一个表面布置成能与所述供给水接触。

10.根据权利要求9所述的植物浇灌装置，其中，

另一表面布置成与水毛细介质或水势低的介质接触。

11.根据权利要求1所述的植物浇灌装置，其中，

所述膜能被肥料化学品透过。

12.根据权利要求1所述的植物浇灌装置，其构造为促进在所述水中产生湍流。

13.一种滴灌管道，其包括构造为导管的优先透水膜。

14.一种滴灌管道，包括：

透水导管；以及

与所述导管相关联的优先透水膜。

15.一种灌溉系统，包括：

根据权利要求13或14所述的滴灌管道，其与土壤或土壤类似物接触。

16.根据权利要求15所述的灌溉系统，还包括：

微咸水供应源。

17.一种灌溉植物的方法，包括如下步骤：

提供微咸水源；

提供根据权利要求14或15所述的滴灌管道；

将所述滴灌管道的至少一部分设置在对所述植物提供支撑的土壤或土壤类似物上方或内部；以及

使所述微咸水从所述微咸水源流入所述滴灌管道中。

18.一种制造滴灌管道的方法，包括如下步骤：

提供透水导管；以及

在所述导管的内侧表面附近形成优先透水膜。

19.一种浇灌植物的方法，包括如下步骤：

利用植物根部和/或对所述植物根部提供支撑的土壤或土壤类似物的水势将供给水抽吸通过优先透水膜。

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